弧光保护装置原理讲课

一.前言相对于输电线路、发电机、电动机和变压器等电气设备，母线的故障几率是比较低的。

但由于母线绝缘子或断路器、隔离开关套管发生闪络、运行人员误操作，中低压母线受小动物危害等原因，母线故障时有发生。

而通常母线上接有较多的电气元件，母线故障时将会使所有这些电气元件停电，其影响面积大，后果严重。

目前在我国220KV以上电压等级的母线上，为满足电力系统暂态稳定性的要求，一般均装设有专门的快速母线保护，母线故障可有选择地快速切除。

110KV电压等级的母线，视其重要程度和复杂程度，有些装设专门的母线保护，有的则不装。

而35KV以下电压等级的中低压母线，无论其出线条数多少、复杂程度如何，一般都没有装设专门的母线保护。

而开关柜内部弧光故障是配电系统中一种非常严重的故障，它的发生会造成灾难性的后果，其内部电弧燃烧释放的巨大能量所产生的各种故障电弧效应，严重烧毁昂贵的开关设备，短路电流冲击可损坏主变压器，造成长时间停电。

更严重的是，它还会造成附近工作人员的伤亡事故。

就目前应用的中低压母线短路保护方案而言，不能满足开关柜内部电弧光短路的要求，需要引进新的专用母线保护方案以解决现代电力系统及厂矿企业提高供电可靠性，减少停电时间的问题。

国外自20世纪60年代就开始关注开关柜内部故障电弧对人员伤害的严重性，并对开关柜内部故障特性进行深入的试验研究。

在90年代初开发出基于检测电弧光的中低压线母线保护系统，并开始在电力系统，厂矿企业投入运行。

近年来，在欧美一些国家，越来越多的用户采用电弧光保护作为中低压开关柜内部故障保护，并且在一些国家该保护装置已成为中、低压开关柜的标准配置。

西安富邦科技实业有限公司，在吸收国外先进技术，结合行业检测及保护配置相关规程，研发出具有低价位，适用性强，高可靠性的电弧光保护系列产品FB360中低压母线快速保护装置. FB360中低压母线快速保护装置是国内同内产品中极少数通过国家继电器检测中心检测并取得许可证的生产厂家之一，现已形成批量产能，填补了国内中低压母线及开关柜弧光保护的空白，该产品自推出以来，应用领域遍及电力企业的各类发电厂，厂用电系统和配电变电站.工业系统的炼钢厂、金属冶炼厂、石油化工厂、造纸厂、造船厂、塑料厂、矿山，楼宇等供配电系统以及铁路、电信，商业中心的配电系统。

ADP-306系列电弧光保护装置概述高压电气设备的各种短路故障和接地故障常伴有电弧光，电弧光产生巨大的压力和温升，会对电气设备与人身安全造成严重伤害。

电弧光故障的影像照片（PS照片）电弧光产生的原因很多，包括误入带电间隔，误操作隔离开关，误带地线合闸，误将检修工具遗漏在设备内，接线错误，设备老化、机械磨损、过电压、小动物（尤其是老鼠）、灰尘及环境腐蚀使绝缘降低等因素。

电弧光的危害性很大，会使电气设备内部温度和压力迅速增加。

弧光中心的温度能达到20,000℃，超过太阳表面温度的3倍，铜排、铝排、电缆着火甚至气化，压力上升导致电气设备爆炸。

弧光冲击波以300m/s的速度爆发，摧毁沿途的其它设备，使事故范围扩大化。

对人身而言，高温会灼伤皮肤、强光会刺伤眼睛、爆破音振会损伤耳膜及肺脏，伤亡非常严重。

电弧光故障的危害程度取决于电弧光电流的大小及持续时间，电弧光产生的能量I2t与故障持续时间t成指数规律快速上升。

越早切除故障，弧光的危害越低。

IEC 62271-200 Ed. 2.0的附录AA指定100ms电弧燃烧时间作为中压开关柜的电弧故障防护标准。

即当开关柜发生内部故障，如果在100ms以内切除故障，开关设备及附近人员的损害较小。

考虑到裕度及开关柜质量的差异，一般认为在75ms内将弧光故障切除即能有效降低故障的危害。

电力系统110kV及以上电压等级的设备都配置有零延时保护，能快速的切除故障；35kV 及以下电压等级的母线通常不配置独立的母差保护装置，借助变压器后备保护装置的过流保护来切除母线故障；由于选择性的要求，该过流保护带有延时，一般0.3s～2s。

较长的延时使得35kV及以下电压等级的母线故障切除滞后、破坏性严重。

35kV及以下电压等级的出线通常配置过流速断，保护装置的动作时间一般在30ms左右。

有些间隙性的弧光故障，初期的电流不大，达不到速断定值，只有在故障发展变严重之后保护装置才能跳闸；由于任由故障发展，丧失了及早切除故障的良机，事故后果更为严重。

什么是电弧光保护？如何实现有效的厂用中、低压母线保护1 目前存在的问题目前，380伏/1千伏/3千伏/6千伏/10千伏/35千伏开关柜中没有专用的母线保护，但在国外电力行业已经普及95%以上；国内采用变压器过流保护用于母线后备保护，理论上必须延时300～500毫秒，实际上动作时间可能长达1.5～2秒，起不到对母线的真正保护，并且使变压器低压侧绝缘有较大的结构性损坏，所以目前的母线后备保护是有缺陷的。

开关设备内电弧光产生的人为原因有误入带电间隔、隔离开关误操作、带接地线合闸、忘记测量工作区内的电压。

技术原因有设备故障和带电设备的误操作，设备正常检修后，遗漏工具在开关设备内，错误的接线和母线连接，绝缘老化和机械磨损、过电压、小动物（尤其是老鼠）、灰尘、温度、湿度、腐蚀等环境因素。

如果在开关柜内发生电弧光故障，由于开关柜中的空气压力和温度迅速增加，如果不及时切除，将造成人员伤亡、设备损坏等重大损失。

中、低压开关柜是供电系统的供电枢纽。

在发生内部故障时，是否能迅速地切除故障，对配电系统的安全运行至关重要。

但是，按目前的保护方案，中压母线尚没有配置任何专门的保护，而是由进线开关的相关后备保护来兼顾的；但是进线开关与出线开关的保护需要相互配合；一般速断保护延时的级差至少为300毫秒，甚至500毫秒或更长；而过流保护的配合级差更是长达1～2秒。

所以，配电系统中、低压母线上所发生的任何故障都至少要延时切除。

换句话说，现有的厂用中、低压母线能在第一时间切除故障的保护还是个空白。

可是，我们只要稍加注意，就会发现，不论是中、低压（开关柜）母线的上游还是下游的诸多电气设备都配有快速保护。

相比之下，中、低压母线的安全性和可靠性却没有得到足够的重视。

鉴于中、低压母线的重要地位，任何故障的延时切除，都是我们极不愿意看到的状况。

因为开关柜内的各种故障，其短路电流所产生的电弧及其大量的高温，使柜内气体急剧膨胀，可在极短的时间内达到顶峰，严重危及人身和设备安全。

#6机6kV母线电弧光保护6kVⅥ段弧光保护系统原理说明1）6kV段任一个开关柜的母线室产生弧光，主控单元都能进行光报警（绿灯变红、闪）、并能显示相应正确的地址，不发送跳闸信号但是发6kV ⅥA段弧光保护系统报警信号，此时若是弧光单元连接的探头接收到弧光信号弧光单元的绿灯变红、闪烁。

2）6kV段工作电源进线柜或备用电源进线柜三相电流中的任何一相出现过流情况，主控单元都能进行过流报警（绿灯变红、闪）、并能显示相应正确的地址，不发送跳闸信号但是发6kV ⅥA段弧光保护系统报警信号，此时电流单元绿灯变红直到主控单元复位。

3） 6kV段某个开关柜的母线室产生弧光并且同时工作电源进线柜或备用电源进线柜三相电流中的任何一相出现过流情况，主控单元能进行光报警和过流报警（绿灯变红、闪），并能显示相应正确的地址，同时送出相应的跳闸信号。

6kVⅥ段故障代码信息查询表故障代码信息查询内容主控单元信息A 光报警，超出ARC的预整定光照度（30000勒克司）C 过流报警，超过CR的预整定的电流定值（ 2.5 A）F 光报警，超出1MU的预整定光照度（30000勒克司）F0.01 1MU的L1 弧光通道报警、6kV ⅥA段ⅥA17—ⅥA24号柜母线仓弧光报警F0.02 备用F0.03 1MU的L3过流报警、6kV ⅥA段工作电源进线过流报警F0.04 1MU的L4过流报警、6kV ⅥA段备用电源进线过流报警F8.01 备用F8.02 1MU第2弧光通道光报警、ⅥA2号开关柜母线仓弧光报警F8.03 1MU第3弧光通道光报警、ⅥA3号6601开关柜母线仓弧光报警F8.04 1MU第4弧光通道光报警、ⅥA4号柜母线仓弧光报警F8.05 1MU第5弧光通道光报警、ⅥA5号柜母线仓弧光报警F8.06 1MU第6弧光通道光报警、ⅥA6号开关柜母线仓弧光报警F8.07 1MU第7弧光通道光报警、ⅥA7号开关柜母线仓弧光报警F8.08 1MU第8弧光通道光报警、ⅥA8号开关柜母线仓弧光报警F8.09 1MU第9弧光通道光报警、ⅥA9号开关柜母线仓弧光报警F8.10 1MU第10弧光通道光报警、ⅥA10号开关柜母线仓弧光报警F8.11 1MU第11弧光通道光报警、ⅥA11号开关柜母线仓弧光报警F8.12 1MU第12弧光通道光报警、ⅥA12号开关柜母线仓弧光报警F8.13 1MU第13弧光通道光报警、ⅥA13号开关柜母线仓弧光报警F8.14 1MU第14弧光通道光报警、ⅥA14号开关柜母线仓弧光报警F8.15 1MU第15弧光通道光报警、ⅥA15号开关柜母线仓弧光报警F8.16 1MU第16弧光通道光报警、ⅥA16号开关柜母线仓弧光报警A1.1.0 1ARC第0弧光通道光报警、ⅥA17号开关柜母线仓弧光报警A1.1.1 1ARC第1弧光通道光报警、ⅥA18号开关柜母线仓弧光报警A1.1.2 1ARC第2弧光通道光报警、ⅥA19号开关柜母线仓弧光报警A1.1.3 1ARC第3弧光通道光报警、ⅥA20号开关柜母线仓弧光报警A1.1.4 1ARC第4弧光通道光报警、ⅥA21号开关柜母线仓弧光报警A1.1.5 1ARC第5弧光通道光报警、ⅥA22号开关柜母线仓弧光报警A1.1.6 1ARC第6弧光通道光报警、ⅥA23号开关柜母线仓弧光报警A1.1.7 1ARC第7弧光通道光报警、ⅥA24号开关柜母线仓弧光报警A1.1.8 1ARC第8弧光通道光报警、ⅥA25号开关柜母线仓弧光报警C3.1.0 1CR按TEST按钮后的报警C3.1.1 1CR的A相过流报警、6kV ⅥA段工作电源进线柜A相过流报警C3.1.2 1CR的B相过流报警、6kV ⅥA段工作电源进线柜B相过流报警C3.1.3 1CR的C相过流报警、6kV ⅥA段工作电源进线柜C相过流报警C4.1.0 2CR按TEST按钮后的报警C4.1.1 2CR的A相过流报警、6kV ⅥA段备用电源进线柜A相过流报警C4.1.2 2CR的B相过流报警、6kV ⅥA段备用电源进线柜B相过流报警C4.1.3 2CR的C相过流报警、6kV ⅥA段备用电源进线柜C相过流报警6kV VIA段弧光保护配置图符号名称型号和规格单位数量1MU 电弧光保护主单元 UTUCN-1 MU 台 1 20 inputs1UNIT 电源模块 WRA12SX-U 台 11CR,2CR 电流辅助单元UTUCN-1 CR 台 2 5A1ARC 弧光辅助单元UTUCN-1 ARC 台 11FLS-24FLS 电弧光传感器UTUCN-1 FLS 台 24注1：1MU安装在工作进线PT柜面板上；1CR安装在进线柜内；2CR安装在备用进线内；1ARC安装在17号柜内。

弧光保护的逻辑判断原理及实际应用分析作者：何杰来源：《决策探索·收藏天下（中旬刊）》 2020年第2期何杰摘要：近年来我国的继电保护技术不断取得进步，为保证电力系统的安全稳定运行发挥了重要的作用。

文章主要介绍弧光保护的原理，详细分析了弧光保护的逻辑判断原理，并对弧光保护的实际应用情况进行了阐述。

关键词：弧光保护；逻辑判断；原理；继电保护继电保护所包括的内容较多，各种不同的继电保护装置共同保障了电网的安全运行。

其中电弧光保护可弥补母线保护的缺陷，速度快，也可保护柜体。

电弧光保护系统利用弧光和电流双重判据，快速可靠地切除中、低压开关柜母线上及配电设备发生的弧光短路故障，弥补现有开关柜母线保护的空白。

一、弧光保护（一）设置弧光保护的意义继电保护系统中包括的保护类型较多，但大多数的保护装置大致可以分为输入信号、逻辑判断和输出信号等三个环节，不同的保护类型主要在保护动作逻辑判断方面具有一定的差异。

在我国电力系统的母线保护中，如果采用传统的快速母线保护，则智能化的程度较低，同时这种保护类型的动作速度也较慢，在需要快速切除保护装置的场合中不太适合，容易出现设备损坏的情况。

以配电开关柜为例，当配电开关柜出现电弧光时[1]，电弧光的功率较大，可以使得配电开关柜内的温度升高。

配电开关柜内产生的弧光和有毒气体对人体会造成一定的伤害，故有必要设置弧光保护。

（二）发生电弧光的原因分析以开光柜为例，开关柜内发生电弧光的原因较多，大致可以分为以下几种：一是开关柜的绝缘系统出现故障，当绝缘的强度不足时，或者绝缘系统遭到损坏时，则容易导致出现弧光现象；二是触头接触不良；三是开关柜操作人员误操作；四是保护接地方式改变，保护装置配置不当等。

这些原因都可能会导致开关柜内产生弧光的现象。

二、弧光保护的逻辑判断原理保护的动作逻辑是保护装置的核心，在分析弧光保护系统之前，需要先了解弧光保护装置的逻辑判断原理，这在弧光保护装置出现问题时，也能够解决相应的问题。

ADP-306系列电弧光保护装置概述高压电气设备的各种短路故障和接地故障常伴有电弧光，电弧光产生巨大的压力和温升，会对电气设备与人身安全造成严重伤害。

电弧光故障的影像照片（PS照片）电弧光产生的原因很多，包括误入带电间隔，误操作隔离开关，误带地线合闸，误将检修工具遗漏在设备内，接线错误，设备老化、机械磨损、过电压、小动物（尤其是老鼠）、灰尘及环境腐蚀使绝缘降低等因素。

电弧光的危害性很大，会使电气设备内部温度和压力迅速增加。

弧光中心的温度能达到20,000℃，超过太阳表面温度的3倍，铜排、铝排、电缆着火甚至气化，压力上升导致电气设备爆炸。

弧光冲击波以300m/s的速度爆发，摧毁沿途的其它设备，使事故范围扩大化。

对人身而言，高温会灼伤皮肤、强光会刺伤眼睛、爆破音振会损伤耳膜及肺脏，伤亡非常严重。

电弧光故障的危害程度取决于电弧光电流的大小及持续时间，电弧光产生的能量I2t与故障持续时间t成指数规律快速上升。

越早切除故障，弧光的危害越低。

IEC 62271-200 Ed. 2.0的附录AA指定100ms电弧燃烧时间作为中压开关柜的电弧故障防护标准。

即当开关柜发生内部故障，如果在100ms以内切除故障，开关设备及附近人员的损害较小。

考虑到裕度及开关柜质量的差异，一般认为在75ms内将弧光故障切除即能有效降低故障的危害。

电力系统110kV及以上电压等级的设备都配置有零延时保护，能快速的切除故障；35kV 及以下电压等级的母线通常不配置独立的母差保护装置，借助变压器后备保护装置的过流保护来切除母线故障；由于选择性的要求，该过流保护带有延时，一般0.3s～2s。

较长的延时使得35kV及以下电压等级的母线故障切除滞后、破坏性严重。

35kV及以下电压等级的出线通常配置过流速断，保护装置的动作时间一般在30ms左右。

有些间隙性的弧光故障，初期的电流不大，达不到速断定值，只有在故障发展变严重之后保护装置才能跳闸；由于任由故障发展，丧失了及早切除故障的良机，事故后果更为严重。

由于配置模块化，可组成只有一个主控单元的简单弧光保护系统，到包含多个功能单元的复杂弧光保护系统。

系统采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、主控单元和弧光单元、主控单元和弧光扩展单元、弧光扩展单元和弧光单元之间采用单模通信光缆连接；主控单元和弧光探头、弧光单元和弧光探头之间采用专用光缆连接。

本系统通过主控单元和站内监控系统通信，主控单元可选配2路以太网或2路CAN网，通信规约支持部颁IEC60870-5-103标准，可方便地接入站内综自系统，系统构成示意图如下图所示：DPR360ARC弧光保护系统配置案例一：系统组成：2条电源进线，2台主变，2段母线，单母分段结构，I 母、II母均为5个间隔单元。

配置方案为主控单元模式，系统结构如下：系统配置说明：弧光保护系统配置1台DPR361ARC主控模块，主控模块配置3组电流采集模块，配置14个弧光传感器，其中包括Q2，Q4处各1个传感器，Q5处各2个传感器，Ⅰ母、Ⅱ母间隔单元各5个传感器，配置5路跳闸出口。

Q2处1个传感器，Q5处1个传感器，Ⅰ母间隔单元5个传感器接至装置4X位置弧光扩展插件的1～7号传感器接口。

Q4处1个传感器，Q5处1个传感器，Ⅱ母间隔单元5个传感器接至装置2X位置弧光扩展插件的1～7号传感器接口。

Q2处TA接至装置L1三相电流，Q4处TA接至装置L2三相电流，Q5处TA接至装置L3三相电流。

装置出口1跳Q1，出口2跳Q2，出口3跳Q3，出口4跳Q4，出口5跳Q5，出口6作为失灵启动。

DPR360ARC弧光保护系统配置案例二：系统组成：2条电源进线，2台主变，2段母线，单母分段结构，I 母、II母均为10个间隔单元。

配置方案为扩展单元模式，系统结构如下：保护护配置表：由于配置模块化，系统适合不同规模大小的整体电弧光保护方案, 可组成只有一个主控单元的简单母线保护系统，也可以组成包含多个功能单元的具备选择性保护的复杂电弧光保护系统。

系统采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、主控单元和电压单元、主控单元和弧光单元、主控单元和弧光扩展单元、弧光单元和弧光扩展单元之间采用单模通信光缆连接。

整流电弧光保护在铝电解行业中，近年来随着整流柜容量的不断加大，整流柜发生的电气事故呈上升趋势。

根据中国有色金属协会的统计，仅2005年我国铝电解供电系统发生运行事故超过10起，造成直接经济损失累计达到3000万元，间接损失超过3亿元，这其中绝大部分事故都发生在整流柜中。

为了减少事故损失，就必须快速切除故障部位，而传统的基于电气量原理的保护无法实现这一点。

电弧光保护的出现为解决这一问题提供了很好的方案。

电弧光保护采用故障发生时产生的弧光作为保护判据，动作时间能够控制在5－7ms，因此能够在发生弧光故障整流柜内压力和温度急剧增加以前就可以切除供给的短路电流，使故障造成的损失控制在单个整流臂内，从而大大减少事故损失并十分有利于事故后的恢复。

2 电弧光保护装置介绍QGP321 快速母线保护采用模块化设计结构。

共由如下系列模块组成一个完整的快速母线保护系统：主单元主单元是QGP321快速母线保护系统的管理单元，其功能包括：* 弧光探测信号的自动采集、弧光动作信号的定位和逻辑设置管理。

主单元共设有4个辅助单元接口，每个辅助单元接口都可以串行连接至多8个QGP8L或QGP16L辅助单元。

而这4个辅助单元接口就自然形成4个保护段，每个保护段的保护逻辑都可以进行单独设置。

* 对所有关联弧光传感器的持续监视。

* 跳闸出口的启动和保护跳闸启动方案的选择。

主单元共设有8个跳闸出口，各跳闸出口的输出逻辑可根据需要进行配置。

* 电流的测量。

QGP640主单元可以同时对两条进线（每条进线三相电流或两项电流+零序）进行持续的电流检测，配合弧光检测进行跳闸判断。

* 故障信息的管理。

辅助单元辅助单元有两种：QGP8L和QGP16L，分别可以连接8个弧光传感器和16个弧光传感器，用户可以根据需要进行选择。

辅助单元用于连接快速母线保护主单元和弧光传感器，每一个连接的传感器，都可给出一个独立的地址信息，用于弧光保护系统的逻辑设置、监视所连接的弧光传感器的状态、装置故障定位等。